基于掃頻振動試驗的裝夾墊層影響分析

郝 苗，杜 禎，劉 博

（北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司，北京 100015）

0 引 言

振動為環境適應性試驗中最為常見的試驗項目。振動試驗中，常以掃頻的方式尋找設備各關鍵點的共振頻率或檢驗其掃頻耐受性等。除自帶工裝的受試設備外，其余大部分受試設備在進行振動試驗時，均使用壓桿和螺栓、螺桿進行固定。部分情況下，為保護受試設備外觀，在對其進行裝夾時會使用裝夾墊層，以避免壓桿等劃傷受試設備外觀。然而，增加裝夾墊層后，受試設備、夾具和振動試驗臺臺面的結合面處的鏈接剛度發生變化，而整體剛度作為一種衡量設備力學特征的重要因素，其約50%受制于結合面剛度[1]，可見依據不同情況合理地使用振動墊層對于振動試驗結果非常重要。

本文以無裝夾墊層情況下的結果為參照值，用3種不同材質的常見裝夾墊層進行掃頻振動試驗，并進行對比，以求找出不同試驗目的下使用不同裝夾墊層的影響效果。

1 理論模型及方法

1.1 作 用

在振動試驗中，裝夾墊層作為受試設備與振動試驗臺的鏈接件，可視作夾具的一部分。其功能主要體現為：保護受試設備外觀，連接試驗臺面與受試設備，傳遞能量。一般地，振動系統的組成及其能量傳遞過程如圖1所示[2]。

圖1中，虛線為機械能傳遞路徑，實線為電能傳遞路徑。傳遞過程中，需保證動圈與夾具間的連接為剛性連接或近似，保證不失真地傳遞運動載荷，以此確保試驗的有效性[3-4]。

圖1 振動試驗系統及能量傳遞過程

1.2 力學理論

剛度指彈性體抗變形拉伸的能力，其計算公 式為：

式中：P為作用在結構上的恒力，δ為由于力而產生的形變。

在恒定力作用下，彈性體的形變量取決于其彈性模量的變化，故采用不同材料的裝夾墊層時，整體結構的剛度不同，因而對試驗結果的影響不同。

1.3 本文研究內容與方法

本文首先在無裝夾墊層的情況下，將被試品以規定狀態裝夾至水平振動臺上，并在預設的點位固定加速度傳感器后，進行多輪掃頻試驗，以獲得其無裝夾墊層下的頻響特性，以供對比。

隨后，在壓桿與受試樣品中添加不同裝夾墊層后進行相同的掃頻試驗，獲得其頻響特性后，與無裝夾墊層時的試驗數據進行比較分析，以獲得不同裝夾墊層對掃頻振動試驗結果的影響。

2 試驗設置

以圖2所示的方式，用壓桿、螺栓及螺桿將受試樣品固定在振動試驗臺臺面。

圖2 被試品裝夾狀態圖

2.1 被試品

被試品為不規則的、基本尺寸為500 mm× 500 mm×530 mm的鋼架結構件，總質量為21.06 kg。

2.2 采樣點布置

為使試驗效果更為明顯、更具可比性，依照經驗，分別將3個傳感器大致布置于互相垂直的橫、縱、垂三向中響應效果較為明顯的位置。采樣點位置如圖3所示，3號點傳感器布置于橫向，5號點傳感器布置于縱向，6號點傳感器布置于垂向。

圖3 傳感器布點示意圖

2.3 試驗條件

為使影響因素相對單一，規避多變量相互作用的影響，本文涉及的試驗中被試品于振動臺上的固定位、固定方式、裝夾位置在試驗中均保持一致，并使用力矩扳手以14 N·m的力矩進行固定。

因隨機振動條件下，振動頻域特性的隨機性較大，不利于比對，故本文涉及試驗采用掃頻試驗進行，參數設定采用常用值，詳細試驗條件如表1所示[5]。

表1 振動試驗條件

本文涉及試驗中，墊層選用實驗室內較為常見的0.1 mm厚A4紙（質量為80 g）、1 mm厚橡膠墊及2 mm厚毛氈墊。試驗中，墊層均覆蓋于夾具壓條與被試品全部接觸面，且為單層。

2.4 試驗設備

本文涉及試驗中使用DC-10000-100型電動振動試驗系統，控制傳感器及采樣傳感器均使用2106C型單向加速度傳感器。

3 結果分析

為減小試驗設備固有誤差對試驗結果的影響，分別對不使用裝夾墊層和以A4紙、橡膠墊、毛氈墊作為裝夾墊層各進行3次掃頻試驗，取有效數據的平均值作為最后的分析數據進行比對，平均后的試驗結果如表2所示。本次試驗結果的分析主要針對加速度增益效果最大的3個峰值點及頻域特性曲線。

表2 試驗結果

依據試驗結果，以無墊層時的前3個加速度放大效果最明顯的頻率點位置及加速度值為基準，比較A4紙、毛氈墊和橡膠分別作為墊層時的前3個加速度放大效果最明顯的頻率點位置及加速度值的偏差值及偏差率，進行比較，結果如表3所示。

表3 各條件頻率點位置及加速度的偏差值及偏差率

3.1 峰 值

3.1.1 峰值點出現位置

裝夾墊層對各采樣點各階峰值點出現位置的影響效果如下。

對橫向采樣點位置的一階主激振頻率點出現位置的影響效果為A4紙＜毛氈墊＜橡膠，二階主激振頻率點出現位置的影響效果為A4紙=毛氈墊＜橡膠，三階主激振頻率點出現位置的影響效果 為橡膠＜A4紙=毛氈墊。

對垂向采樣點位置的主激振頻率點出現位置的影響效果為A4紙＜橡膠＜毛氈墊，二階主激振頻率點出現位置的影響效果為橡膠＜毛氈墊＜A4紙，三階主激振頻率點出現位置的影響效果為毛氈墊＜A4紙＜橡膠。

對縱向采樣點位置的一階主激振頻率點出現位置的影響效果為毛氈墊＜橡膠＜A4紙，二階主激振頻率點出現位置的影響效果為A4紙＜橡 膠＜毛氈墊，三階主激振頻率點出現位置的影響效果為毛氈墊＜A4紙＜橡膠。

3.1.2 峰值大小

裝夾墊層對各采樣點處各階峰值大小的影響效果如下。

對橫向采樣點的一階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為A4紙＜毛氈墊＜橡膠，二階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為毛氈墊＜A4紙＜ 橡膠，三階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為A4紙＜橡膠＜毛氈墊。

對垂向采樣點的一階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為橡膠＜A4紙＜毛氈墊，二階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為A4紙＜橡膠＜ 毛氈墊，三階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為A4紙＜橡膠＜毛氈墊。

對縱向采樣點的一階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為A4紙＜橡膠＜毛氈墊，二階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為毛氈墊＜A4紙＜ 橡膠，三階主激振頻率點處峰值大小的影響效果為A4紙＜毛氈墊＜橡膠。

3.2 頻域特性曲線

本文涉及的試驗中，縱向（5號采集點）為主要考核方向，下文主要針對不同裝夾墊層對縱向的頻域特性曲線的影響進行比較。無裝夾墊層時的振動試驗曲線如圖4所示，使用不同裝夾墊層時的振動試驗曲線分別如圖5、圖6及圖7所示。

圖4 無裝夾墊層時的頻域特性曲線

圖5 裝夾墊層為A4紙時的頻域特性曲線

圖6 裝夾墊層為毛氈墊時的頻域特性曲線

圖7 裝夾墊層為橡膠時的頻域特性曲線

由不同情況下的曲線可見：高頻段，使用不同的裝夾墊層對縱向的頻域特性曲線趨勢的影響相對較小；中低頻段不同的裝夾墊層對縱向的頻域特性曲線趨勢的影響相對較大，在使用了裝夾墊層的情況下，頻域特性曲線的走向更為平緩，尤其振動效果在該采集點出發生衰減時表現最為明顯；增加了裝夾墊層后，部分頻段的加速度值由無裝夾墊層時的增益轉變為了衰減。

3.3 結論分析

由試驗結果及對比，當依本文所述振動條件進行不同目的的振動試驗時，以縱向反饋為考核內容，不同裝夾墊層對試驗結果的有效性影響分析如下：

當振動試驗目的為考核最大加速度峰值對受試樣品的影響時，以A4紙和橡膠作為裝夾墊層進行試驗，對試驗結果的有效性影響較小；

當振動試驗目的為尋找受試樣品在該掃頻頻段范圍內出現的最大共振頻率點時，以A4紙、毛氈墊和橡膠作為裝夾墊層進行試驗，對試驗結果有效性的影響均較小；

當振動試驗目的為確認各階共振頻率點及其加速度時，以A4紙作為裝夾墊層進行試驗，對試驗結果的有效性影響相對較小，但與無裝夾墊層時進行比較仍有不可忽略的偏差；

當振動試驗目的為確認受試樣品在該掃頻頻段內頻響曲線的變化特征時，以A4紙、毛氈墊和橡膠作為裝夾墊層進行試驗，均對試驗結果有效性存在較大影響。

4 結 語

本文主要以裝夾墊層為研究對象，使用不同的裝夾墊層進行試驗并進行結果比對，分析了不同材質的裝夾墊層在掃頻振動試驗中對頻域特性的影響。結果表明，在不同的振動試驗目的下，可依據實際情況適當選擇裝夾墊層或不添加任何裝夾墊層。